動態(tài)無功補償裝置經(jīng)濟性分析及價格機制研究

王曉暉 溫衛(wèi)寧 王承民 盧艷超

（1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京100000；2.上海交通大學(xué)，上海201100）

0 引言

電網(wǎng)的智能化發(fā)展，對電網(wǎng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量提出了更高的要求，無功補償在電力系統(tǒng)中地位日益突出。無功補償方式已由靜態(tài)補償轉(zhuǎn)向高效的動態(tài)補償，其裝備也由傳統(tǒng)的同步調(diào)相機、電容器和電抗器發(fā)展到靜止無功補償器（SVC）和靜止無功發(fā)生器（SVG）。動態(tài)無功補償?shù)闹饕饔茫涸陔娋W(wǎng)側(cè)體現(xiàn)為增強系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，提高高電壓線路的長距離輸電能力，提高功率因數(shù)，降低線損[1]；在用戶側(cè)體現(xiàn)為維持用戶端電壓，提高功率因數(shù)，抑制電壓波動和閃變，抑制三相不平衡，提高電能質(zhì)量。大容量的動態(tài)無功補償裝置（同步調(diào)相機、靜止無功補償器和靜止無功發(fā)生器）在高電壓等級的變電站和線路上得到了廣泛應(yīng)用，并在維護電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定上發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。然而，在現(xiàn)實應(yīng)用中，鮮有對不同無功補償裝置的經(jīng)濟性分析，以得出不同無功補償裝置的補償成本費用；也鮮有針對加裝無功補償裝置對電網(wǎng)產(chǎn)生的效益的有效評估和衡量[2]。

本文采用成本效益增量比分析方法對不同補償裝置進行經(jīng)濟性分析，用于指導(dǎo)動態(tài)無功補償裝置選型；收益增量/成本增量評估方法（iB/C法）是基于收益增量與成本增量比值的評估方法，為多屬性規(guī)劃[3]。與iB/C比值法相比較，傳統(tǒng)的經(jīng)濟性分析方法采用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動、最小費用、面向項目的評估和選擇過程，以確定各個項目的投資規(guī)模及相應(yīng)的分配方案。該方法雖有回收周期長和長期費用最小化的優(yōu)點，但也存在以下缺點：不能從戰(zhàn)略的角度進行綜合評估，無法滿足企業(yè)削減投資的要求，集中投資會導(dǎo)致負債率偏高，對設(shè)備的技術(shù)過時及債務(wù)非常敏感。為克服上述缺點，常采取修改資金時間價值因子或采用更短的評估周期等方法，不過這樣雖降低了長期不確定性問題的敏感性，但卻不能解決當(dāng)前急需的降低預(yù)算的問題[4]。除了傳統(tǒng)的改進方法外，為了解決嚴(yán)重的費用削減問題，也可采取使用增強可靠性專用費用的方式，但這些方法大多成效不大。而iB/C比值法能夠在有限的資金范圍內(nèi)選擇在一定時間里價值最大的方案，從而為選擇最佳方案提供依據(jù)[5]。

本文在對動態(tài)無功補償裝置進行經(jīng)濟性分析的基礎(chǔ)上，對其價格機制進行深入的研究。針對無功補償裝置成本回收方法，結(jié)合不同電網(wǎng)設(shè)備的電價回收模式，提出了動態(tài)無功補償裝置的三種經(jīng)營模式：電網(wǎng)統(tǒng)一經(jīng)營、獨立經(jīng)營和租賃經(jīng)營。

1 動態(tài)無功補償裝置經(jīng)濟性分析

1.1 成本效益增量比評估方法

本文基于成本效益增量比分析方法進行經(jīng)濟性分析，通過對新建調(diào)相機、改造調(diào)相機、SVC、STATCOM成本進行核算，得出各種補償裝置的投資費用、損耗費用、運維費用值，計算出補償裝置的總費用（即成本增量）；依據(jù)北京500 kV電網(wǎng)相應(yīng)短路故障點的負荷損失情況，計算出增加四種補償裝置前后減少的負荷損失值，并依據(jù)北京地區(qū)單位電量的經(jīng)濟價值，換算出對應(yīng)減少的負荷損失所增加的經(jīng)濟效益（即效益增量），并進行成本效益增量比計算，結(jié)合比值大小進行經(jīng)濟性分析[6]。

基本分析過程如下：

（1）列出新建調(diào)相機、改造調(diào)相機10年、改造調(diào)相機20年、加裝SVC、加裝STATCOM五種方案，基準(zhǔn)方案為不加裝任何動態(tài)無功補償裝置。

（2）計算出每種方案相對于基準(zhǔn)方案的成本增量（包括投資成本、運行維護費用、損耗費用）。

（3）計算每種方案加裝補償裝置后減少的負荷損失效益（即效益增量）。

（4）計算每種方案收益增量與總成本增量比值。

（5）依據(jù)收益增量/成本增量的比值對不同類型補償裝置進行經(jīng)濟性分析。

1.2 動態(tài)無功補償裝置成本增量計算

本次研究的五個方案分別為新建調(diào)相機、改造調(diào)相機10年、改造調(diào)相機20年、加裝SVC和STATCOM，基準(zhǔn)方案為不加裝任何動態(tài)無功補償裝置，動態(tài)無功補償裝置的成本即為成本增量。動態(tài)無功補償裝置的成本主要包括投資成本、運維成本、損耗成本，其中，投資成本主要包括設(shè)備費、安裝費、土建費、建場費及除建場費外的其他費用，損耗成本包括年折舊費、年線損費。

1.2.1 投資成本估算

本項目依據(jù)各地區(qū)的調(diào)研結(jié)果，估算出三種不同無功補償裝置的投資成本，詳細情況如表1所示。

由表1分析可知，STATCOM單位造價最高，為552～560元/kvar，新建調(diào)相機和改造調(diào)相機其次，分別為407～417元/kvar和304～314元/kvar，SVC單位造價最低，為188～213元/kvar。

表1 三種不同無功補償裝置的投資成本

結(jié)合調(diào)研的投資成本現(xiàn)值，按照各不同類型補償裝置使用年限，將補償裝置的投資成本現(xiàn)值折算成投資成本年值。

按新建調(diào)相機使用年限30年、改造調(diào)相機使用年限10年和20年、SVC和STATCOM使用年限15年，依據(jù)公式（1）計算得到不同補償裝置投資成本年值，計算結(jié)果如表2所示。

式中，A為投資費用年值（萬元）；P為投資費用現(xiàn)值（萬元）；i為折扣率（8%）；n為回收年限（年）。

表2 不同補償裝置投資成本年值

由于STATCOM投資總成本較高，使用壽命較短，導(dǎo)致STATCOM投資年值最高，為3 925.47萬元/年；改造調(diào)相機10年其次，為2 803.24萬元/年；新建調(diào)相機第三，為2 220.69萬元/年；改造調(diào)相機20年和SVC年值較低，分別為1 915.84萬元/年和1 495.42萬元/年。

1.2.2 運維費用

調(diào)相機的年運維費用按照投資成本現(xiàn)值的5%考慮，SVC和STATCOM的年運維費用按2.2%考慮。新建調(diào)相機的年運維費用為1 250萬元，改造調(diào)相機年運維費用為941萬元，SVC為282萬元，STATCOM為739萬元。

1.2.3 損耗費用

補償裝置的損耗費用主要為年線損費用，計算方式如下[7]：

年線損費用=年線損電量（MW·h）×電量單價（元/MW·h）

年線損電量=年傳輸電量（MW·h）×損耗率

年傳輸電量=各類型補償裝置容量×年最大利用小時數(shù)

其中，調(diào)相機、SVC和STATCOM的損耗率分別按1.5%、0.8%和1.0%考慮，電量電價按0.4元/kW·h考慮。則新建調(diào)相機年損耗費用為792萬元，改造調(diào)相機為792萬元，SVC為422萬元，STATCOM為528萬元。

1.2.4 成本增量

根據(jù)投資成本年值、年運維費用、年損耗費用的計算結(jié)果，得到各類補償裝置的成本增量。其中新建調(diào)相機為4 262.69萬元/年，改造調(diào)相機10年為4 536.24萬元/年，改造調(diào)相機20年為3 648.84萬元/年，SVC為2 199.42萬元/年，STATCOM為5 192.47萬元/年，詳細情況如圖1所示。

圖1 各類補償裝置成本增量圖圖1 變速器模型

1.3 動態(tài)無功補償裝置效益增量計算

1.3.1 計算方法及邊界條件

結(jié)合負荷損失計算結(jié)果，計算出增加補償裝置后減少的負荷損失效益，計算方法如下[7]：

負荷損失效益（萬元）=損失負荷×故障概率×全年小時數(shù)×

1 000×單位電量經(jīng)濟價值/10 000

計算邊界條件為：2020年北京地區(qū)目標(biāo)規(guī)劃網(wǎng)架計算負荷27 500 MW、裝機規(guī)模12 500 MW；考慮風(fēng)電大發(fā)腰荷、南部開機方式，其中腰荷按峰荷的80%考慮，負荷水平22 000 MW；壓減北京北部機組、開北京南部機組，開機規(guī)模5 460 MW（占比24.8%），實際出力5 110 MW（占比23.2%）；北京負荷模型為60%馬達+40%恒阻抗；在此基礎(chǔ)上，昌平—順義500 kV線路發(fā)生“N-2”故障。

故障概率：基于中電聯(lián)統(tǒng)計的全年“N-2”故障概率6.418×10-6。

單位電量經(jīng)濟價值：GDP總量/全社會用電量。

全年小時數(shù)：4 500 h。

1.3.2 計算結(jié)果

依據(jù)極端運行方式下的故障損失負荷計算方法，計算出未加裝動態(tài)無功補償裝置時，發(fā)生“N-2”故障損失負荷為300 MW；當(dāng)加裝調(diào)相機后，10 s內(nèi)電壓恢復(fù)到0.8 p.u.及以上，無負荷損失；加裝SVC后損失負荷為150 MW，加裝STATCOM后無負荷損失。

北京地區(qū)2015年GDP總量為22 968.6億元，全社會用電量983.85億kW·h，計算出單位電量的經(jīng)濟價值23.35元/kW·h；依據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計的“N-2”全年故障概率6.418×10-6，結(jié)合減少的負荷損失及單位電量的經(jīng)濟價值，換算出加裝不同無功補償裝置后減少的負荷損失，即效益增量，如表3所示。其中加裝調(diào)相機減少的損失效益增量為20.43萬元/年，加裝SVC減少的損失效益增量為10.21萬元/年，加裝STATCOM減少的損失效益增量為20.43萬元/年。

表3 不同無功補償裝置效益增量計算表

計算結(jié)果顯示，調(diào)相機和STATCOM的效益增量較高，SVC次之。原因在于，調(diào)相機和STATCOM在響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)性能方面優(yōu)于SVC，在故障發(fā)生時能夠盡可能避免負荷損失。

1.4 成本效益增量比計算

根據(jù)上節(jié)計算得到的不同補償裝置的成本增量以及加裝補償裝置后的效益增量，計算各類補償裝置的成本收益增量比，如表4所示。

表4 動態(tài)無功補償裝置成本效益增量比

計算結(jié)果顯示，SVC成本效益增量比最高，為5.15；改造調(diào)相機20年次之，為3.17；新建調(diào)相機第三，為2.71；改造調(diào)相機10年、STATCOM最小，分別為2.55和2.18。即，五種動態(tài)無功補償方案的經(jīng)濟性由優(yōu)至劣依次為：SVC、改造調(diào)相機20年、新建調(diào)相機、改造調(diào)相機10年和STATCOM。

成本效益增量比綜合考慮了各種補償裝置的成本及其效益。綜合來看，SVC的成本效益增量比最高，經(jīng)濟性最優(yōu)；而新建調(diào)相機及改造調(diào)相機的成本效益增量比低于SVC，經(jīng)濟性適中；STATCOM的成本效益增量比最低，經(jīng)濟性最差。

2 動態(tài)無功補償裝置價格機制研究

2.1 現(xiàn)階段電價模式概述

現(xiàn)階段電價模式分為兩部制電價和單一電量階梯電價兩種。兩部制電價由基本電價（容量電價）和電量電價（電度電價）組成，基本電價以客戶用電容量或最大需量進行計算，而電量電價以客戶每月實際用電量進行計算。兩種電價分別計算后的電費相加，經(jīng)功率因數(shù)調(diào)整電費后，即為客戶應(yīng)付的全部費用。單一電量階梯電價將城鄉(xiāng)居民每月用電量劃分為幾檔，電價實行分檔遞增[8]。

2.2 動態(tài)無功補償裝置的經(jīng)營模式

針對無功補償裝置成本回收方法，結(jié)合不同電網(wǎng)設(shè)備的電價回收模式，提出無功補償裝置可以按以下三種方式進行成本回收[9]。

2.2.1 電網(wǎng)統(tǒng)一經(jīng)營

即動態(tài)無功補償裝置不作為獨立實體，其資產(chǎn)所有權(quán)和經(jīng)營權(quán)都屬于電網(wǎng)公司，由電網(wǎng)統(tǒng)一負擔(dān)無功補償裝置的成本、還本付息、利潤和稅收等開支，統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一經(jīng)營。在此運營模式下，動態(tài)無功補償裝置的成本通過納入輸配電價來進行回收[10]。

2.2.2 獨立經(jīng)營

即無功補償裝置作為獨立實體，其資產(chǎn)所有權(quán)和經(jīng)營權(quán)都屬于動態(tài)無功補償裝置公司，并由該公司統(tǒng)一負擔(dān)無功補償電站的成本、付息、利潤和稅收等開支，統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一經(jīng)營。電網(wǎng)公司通過購買無功服務(wù)向其支付費用，運維費用可由電網(wǎng)公司支付的無功服務(wù)費用進行回收。在此運營模式下，動態(tài)無功補償裝置通過單一電量電價和兩部制電價兩種模式進行成本回收[11]。

2.2.2.1 單一電量電價模式

政府主管部門核定動態(tài)無功補償裝置的上網(wǎng)電價，由電網(wǎng)公司統(tǒng)一支付其成本和利潤，并負責(zé)還本付息，電站僅負責(zé)按電網(wǎng)調(diào)度要求運行，電站經(jīng)營收益通過電量電費實現(xiàn)[12]。

2.2.2.2 兩部制電價模式

傳統(tǒng)的電價制定主要是按照平均成本定價的方式，采取兩部制電價，即固定成本+可變成本。動態(tài)無功補償裝置的價格機制可采取兩部制定價模式：無功補償電價=平均成本定價（容量電價）+邊際成本定價（電量電價），兩者的關(guān)系為：x=x0+Δx。

2.2.3 租賃經(jīng)營

租賃經(jīng)營方式，即組建的動態(tài)無功補償裝置運營公司把設(shè)備租賃給電網(wǎng)公司或其他經(jīng)營實體經(jīng)營，以收取租賃費保證自身的還本付息及適當(dāng)盈利的經(jīng)營管理模式[13]。

此模式下通常是電網(wǎng)公司租賃，租賃方與動態(tài)無功補償裝置運營公司可以靈活確立租賃方式。舉例如下：

（1）可以直接將經(jīng)營權(quán)轉(zhuǎn)讓給電網(wǎng)公司，電網(wǎng)公司負責(zé)其全部的生產(chǎn)經(jīng)營活動并承擔(dān)運營風(fēng)險，租賃期內(nèi)的收益全部歸電網(wǎng)公司獲得，運營公司僅以租賃費用實現(xiàn)其還本付息并適當(dāng)盈利。

（2）可以只轉(zhuǎn)讓容量支配權(quán)，在租賃期間，電網(wǎng)公司全權(quán)進行調(diào)配，運行過程中發(fā)電帶來的收益，由雙方協(xié)商分配。在此運營模式下，動態(tài)無功補償裝置通過租賃費的價格機制實現(xiàn)成本回收[14]。

表5簡要總結(jié)了電網(wǎng)統(tǒng)一經(jīng)營、獨立經(jīng)營、租賃經(jīng)營三種經(jīng)營模式的優(yōu)缺點。

2.3 動態(tài)無功補償裝置對終端電價的影響

2.3.1 電網(wǎng)統(tǒng)一經(jīng)營

投資回收年限：新建調(diào)相機為30年；調(diào)相機改造1為10年；調(diào)相機改造2為20年；SVC為15年；STATCOM為15年。補償裝置容量：600 Mvar/臺。電價水平：0.4元/kW·h。

根據(jù)以上測算參數(shù)的確定對動態(tài)無功補償裝置的全部供電成本、運維損耗費用進行計算，得出其測算的電價。

2.3.2 獨立經(jīng)營

2.3.2.1 單一電價

為改變發(fā)電側(cè)成本無約束、價格無控制的狀況，1998年，國家適時出臺了“經(jīng)營期電價”政策取代“還本付息電價”政策。經(jīng)營期電價的含義就是在整個經(jīng)濟壽命期內(nèi)（火電20年，水電30年）保證投資者合理回報的均衡電價。經(jīng)營期電價測算方法的主要理論基礎(chǔ)是資金的時間價值理論，而資金的時間價值就體現(xiàn)在IRR（內(nèi)部收益率）上。測算時，通過調(diào)整電價水平，直到下式中的IRR滿足約定水平[15]。

表5 動態(tài)無功補償電站經(jīng)營模式利弊對比

∑[（現(xiàn)金流入-現(xiàn)金流出）/（1+IRR）n]=0 （2）

本文按經(jīng)營期上網(wǎng)電價的測算辦法對動態(tài)無功補償裝置的上網(wǎng)電價進行測算。

2.3.2.2 兩部制電價

成本核算：逐項目核算供電成本，求和得到固定電力成本（固定投資）和可變電量成本（運維費用）[16-18]。

（1）容量電價：

1）投資利潤的計算：

投資利潤（稅前）=總投資×資金利潤率

2）容量費用的計算：

銷售稅金附加=增值稅×（城市建設(shè)維護稅率+教育附加稅率）=容量費用×增值稅率×（城市建設(shè)維護稅率+教育附加稅率）

容量費用=投資利潤+固定成本+附加稅

聯(lián)立上述兩個方程組得到容量費用。

3）容量價格的計算

容量價格=容量費用/設(shè)計上網(wǎng)容量

（2）電量電價：

電量費用包括可變經(jīng)營成本及可變稅金。

1）可變經(jīng)營成本包括損耗費用、運維費用等成本。

2）可變稅金：

銷售稅金附加=電量費用×增值稅率×附加稅率

電量費用=可變經(jīng)營成本+銷售稅金附加

3）電量價格：

電量價格=電量費用/設(shè)計電站上網(wǎng)電量

2.3.3 租賃經(jīng)營

租賃費的測算與經(jīng)營期電價測算方法相類似，主要理論基礎(chǔ)是資金的時間價值理論，而資金的時間價值就體現(xiàn)在IRR（內(nèi)部收益率）上[19-20]。

2.3.4 電價計算結(jié)果

計算結(jié)果如表6所示。

3 結(jié)論

（1）本文采用成本效益增量比（iB/C）方法對動態(tài)無功補償裝置的經(jīng)濟性進行分析，為補償裝置的設(shè)備選型提供參考。綜合考慮補償裝置的運行特性，根據(jù)計算得到的不同補償裝置的成本增量以及加裝補償裝置后的效益增量，計算各類補償裝置的成本收益增量比，計算結(jié)果顯示：SVC的值最大，其次是調(diào)相機改造20年，第三是新建調(diào)相機，第四為調(diào)相機改造10年，最后為STATCOM。即SVC的成本效益增量比最高，經(jīng)濟性最優(yōu)；而新建調(diào)相機及改造調(diào)相機的成本效益增量比低于SVC，經(jīng)濟性適中；STATCOM的成本效益增量比最低，經(jīng)濟性最差。

表6 電網(wǎng)統(tǒng)一經(jīng)營、獨立經(jīng)營和租賃經(jīng)營的電價匯總（元/kvarh）

（2）本文針對無功補償裝置成本回收方法，結(jié)合不同電網(wǎng)設(shè)備的電價回收模式，提出三種無功補償裝置的經(jīng)營模式：電網(wǎng)統(tǒng)一經(jīng)營、獨立經(jīng)營、租賃經(jīng)營；并結(jié)合不同回收模式的邊界條件，計算出了每種經(jīng)營模式下的固定成本、運維費用、損耗費用等對電網(wǎng)企業(yè)終端電價的影響。

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